Chemischer Sprachschatz

News: Chemischer Sprachschatz

Bakterien sind einfach gestrickte Lebewesen - dennoch haben sie erstaunliche Fähigkeiten entwickelt. Bei vielen Mikroorganismen handelt es sich keinesfalls um sprachlose Einzelgänger, sondern um durchaus mitteilungsfreudige Vertreter: Mithilfe bestimmter Botenstoffe tauschen sie untereinander und sogar über Artgrenzen hinweg Informationen aus. Und die nun entschlüsselte chemische Architektur eines wichtigen "Worts" der bakteriellen Sprache weist eine Besonderheit auf: Das in biologischen Prozessen eher unbeschriebene Element Bor.

Ulrike Knoll

Um sich mit ihren Artgenossen zu verständigen, haben viele Mikroorganismen eine biochemische Geheimsprache entwickelt, die in ihrer Erbsubstanz verschlüsselt ist: So verfügen beispielsweise einige meeresbewohnende Bakterien über Gene, die es ihnen gestatten, bläulich aufzuglühen. Doch jenes Leuchten tritt erst auf, wenn eine bestimmte Populationsdichte erreicht ist. Dieses Phänomen wird als Quorum sensing bezeichnet, in Anlehnung an den Begriff "quorum" aus dem römischen Recht: Er bezeichnet die Mindestanzahl an Teilnehmern einer Versammlung, um beschlussfähig zu sein.

In diesem Kommunikationssytem spielt ein bestimmtes Signalmolekül namens Autoinducer-2 (AI2) eine Schlüsselrolle. Offenbar ist es im Bakterienreich weit verbreitet, denn mindestens 50 verschiedene Arten "unterhalten" sich mit Hilfe dieses chemischen Informationsträgers – darunter auch Escherichia coli und andere Erreger, die menschliche Krankheiten auslösen. Dabei warten die Mikroorganismen den richtigen Augenblick ab, bis der kritische Schwellenwert ihrer Dichte überschritten ist und ändern anschließend schlagartig ihr Verhalten. Mit Hilfe dieser Strategie gelingt es den Bakterien vermutlich, das menschliche Immunsystem auszutricksen und im frühen Infektionsstadium unentdeckt zu bleiben.

Zwar sind die bakteriellen Gene und Proteine schon seit längerer Zeit bekannt, die für das Herstellen und Empfangen des Signals zuständig sind, doch gelang es bislang nicht, die atomare Struktur von AI2 selbst aufzuklären. Nun versuchten Fred Hughson und seine Kollegen von der Princeton University dieses Rätsel zu lösen, indem sie den LuxP genannten Rezeptor von AI2 beleuchteten, während das gesuchte Molekül angedockt war. Jenes Gebilde unterzogen die Forscher einer Röntgenkristallographie, die Auskunft über die räumliche Anordnung der Atome gibt.

Ihr Unterfangen glich einer mühsamen Detektivarbeit: LuxP setzt sich aus Tausenden von Atomen zusammen, AI2 hingegen zählt lediglich 16 Bausteine. Dennoch wurden die Wissenschaftler fündig. Sie entdeckten eine kleine "Tasche", die eine Traube von Atomen beherbergte – vermutlich handelte es sich hier um den Signalstoff. Und es gelang jeden seiner Bestandteile zu identifizieren – mit einer Ausnahme. Ein Atom widersetzte sich erfolgreich den Aufklärungsbemühungen. Im Verdacht hatten die Forscher das Atom Kohlenstoff, das in nahezu allen biologischen Molekülen als Rückgrat dient. Doch nähme es in AI2 den entsprechenden Platz ein, würde es zu einer instabilen Verbindung führen.

Als Alternative kam das Element Bor in Betracht, das im Periodensystem in unmittelbarer Nähe von Kohlenstoff angesiedelt ist. Und tatsächlich erhärtete sich jene Vermutung: Nicht nur die Kernresonanzspektroskopie lieferte eindeutige Hinweise, sondern auch Laborversuche mit Leuchtbakterien, die bei der Zugabe von Bor wesentlich schneller erglühten als unter normalen Umständen. Diese Erkenntnis kam überraschend, denn bislang war keine biologische Funktion dieses Atoms bekannt.

Mithilfe der aufgeschlüsselten Architektur des Signalmoleküles, können Forscher im nächsten Schritt detaillierter seine Bedeutung beim Quorum sensing untersuchen. Möglicherweise liefert der Aufbau von AI2 auch die Bauanleitung für annähernd identische Wirkstoffe, die an den LuxP-Rezeptor binden und die Bakterien daran hindern, giftige Substanzen freizusetzen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Antibiotika würden diese Moleküle die Mikroorganismen nicht abtöten, sondern nur von ihren Informationskanälen abschneiden. Somit ist die Gefahr wesentlich geringer, dass die Bakterien resistent gegen die Störverbindungen werden.

Stephen Winans von der Cornell University bezeichnet dies als "interessante Idee". Gleichzeitig gibt er jedoch zu Bedenken, dass zwar viele Bakterien AI2 produzieren, aber noch völlig unklar ist, ob es auch alle beim "Quorum sensing" einsetzen. Zunächst einmal gilt es genau zu erforschen, welche Mikroorganismen diese Substanz nutzen und zu welchem Zweck sie diese gebrauchen, hebt er hervor.